CN108123365A - 一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法 - Google Patents

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胡晓
肖希
冯朋
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Abstract

本发明公开了一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法，涉及光电子器件技术领域。该激光器包括：增益介质、模斑转换器、对准标记、无温漂的混合集成光波导和无温漂的光学谐振腔；该增益介质通过模斑转换器与无温漂的混合集成光波导相连。其中，无温漂的混合集成光波导包括形成于低折射率衬底上的高折射率材料层和负热光系数材料层，该负热光系数材料层能够对高折射率材料层的正热光系数进行补偿；无温漂的光学谐振腔是基于无温漂的混合集成光波导组成的谐振腔结构，用于实现激光器的输出波长在不同温度下的稳定。本发明能解决硅基片上集成激光器的出射波长随温度变化的问题，且无需增设额外调控器件，使得激光器的功耗低、集成度高、制备成本低。

Description

一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，具体来讲是一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法。
背景技术
信息技术的快速发展对通信系统的传输速率和集成度提出了越来越高的要求，基于硅基器件具有低损耗、高折射率差、结构尺寸小的特性，硅基片上集成成为目前的主要发展方向。但是由于硅是间接带隙材料，难以实现激光发射，所以需要将硅与Ⅲ-Ⅴ族等有源材料混合集成实现片上集成激光器。
硅基材料，包括硅、氮化硅等正热光系数材料，其折射率系数会随着温度的升高而增大，因此硅基谐振腔的谐振波长会随着温度的变化而漂移。当使用硅基谐振腔的片上集成激光器作为波分复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)，特别是密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)系统上的光源时会存在以下问题：
1、由于硅基谐振腔的谐振波长会随着温度的变化而漂移，因此需要对激光器进行温度控制，从而增加了激光器的功耗；
2、由于需要额外增加温度控制器件，因此会导致器件集成度的降低，同时也会增加器件的制备成本。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法，能解决硅基片上集成激光器的出射波长随温度变化的问题，且无需增设额外调控器件，使得片上集成激光器的功耗低、集成度高、制备成本低。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种无温漂的片上集成激光器，包括增益介质、模斑转换器、无温漂的混合集成光波导和无温漂的光学谐振腔，所述增益介质通过模斑转换器与无温漂的混合集成光波导相连；其中，所述无温漂的混合集成光波导包括形成于低折射率衬底上的高折射率材料层和负热光系数材料层，所述负热光系数材料层能够对高折射率材料层的正热光系数进行补偿；所述无温漂的光学谐振腔是基于所述无温漂的混合集成光波导组成的谐振腔结构，用于实现片上集成激光器的输出波长在不同温度下的稳定。
在上述技术方案的基础上，该激光器还包括一对对准标记，所述一对对准标记分别设置于模斑转换器的附近和增益介质上。
在上述技术方案的基础上，所述无温漂的混合集成光波导还包括低折射率覆盖层。
在上述技术方案的基础上，所述无温漂的混合集成光波导的结构包括多层波导结构、狭缝波导结构或亚波长光栅波导结构。
在上述技术方案的基础上，所述无温漂的光学谐振腔用于实现对增益介质输出光波的选频。
在上述技术方案的基础上，所述无温漂的光学谐振腔的结构包括微环谐振腔结构、微盘谐振腔结构或光栅结构。
在上述技术方案的基础上，所述高折射率材料层选用折射率系数大于1.8的低损耗材料制成。
在上述技术方案的基础上，所述负热光系数材料层选用折射率系数随温度的增加而逐渐降低的材料制成。
在上述技术方案的基础上，所述增益介质采用能够通过电泵浦或者光泵浦实现受激辐射的有源材料制成。
本发明还提供一种无温漂的片上集成激光器的制备方法，包括以下步骤：
A、取带有低折射率衬底的晶片，在该低折射率衬底上沉积一层高折射率材料层，并通过光刻和刻蚀得到所需的波导结构；
B、在所述高折射率材料层上沉积一层负热光系数材料层，并使用套刻工艺制备得到所述无温漂的混合集成光波导和所述无温漂的光学谐振腔；
C、在所述无温漂的混合集成光波导的周围制备模斑转换器；
D、通过所述模斑转换器将所述无温漂的混合集成光波导与增益介质相连。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在解决硅基片上集成激光器的出射波长随温度变化的问题时，是将片上集成激光器的输出波长稳定设计为一种被动过程，即不需要外界施加额外的能量就可以实现片上激光器的输出波长在不同温度下的稳定，从而降低了片上集成激光器的功耗。与此同时，由于不需要使用额外的热电极和温控等调控器件，就可以实现片上激光器输出波长的稳定，从而使得片上集成激光器的集成度高且制备成本低。
2、本发明的激光器中，还增设有一对用来实现精确对照的对准标记，可进一步使得增益介质与模斑转换器能精确对准，从而提高耦合效率。
3、本发明的片上集成激光器能够解决现有的硅基片上集成激光器的出射波长随温度变化的问题，因此，可用来实现片上密集波分复用系统，提高通信系统的传输速率，实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例中无温漂的片上集成激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例一中无温漂的混合集成光波导的横截面示意图；
图3为本发明实施例一中无温漂的混合集成光波导的TE模场分布图；
图4为本发明实施例二中无温漂的混合集成光波导的横截面示意图；
图5为本发明实施例二中无温漂的混合集成光波导的TE模场分布图；
图6为本发明实施例三中无温漂的混合集成光波导的结构示意图。
附图标记：
101-低折射率衬底；
102-增益介质；
103-模斑转换器；
104-无温漂的混合集成光波导；
105-无温漂的光学谐振腔；
106-对准标记；
201-高折射率材料层；
202-负热光系数材料层；
203-低折射率覆盖层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2、图4和图6所示，本发明实施例提供一种无温漂的片上集成激光器，该激光器包括低折射率衬底101、增益介质102、模斑转换器103、无温漂的混合集成光波导104和无温漂的光学谐振腔105；其中，增益介质102通过模斑转换器103与无温漂的混合集成光波导104相连。
具体来说，所述无温漂的混合集成光波导104包括形成于低折射率衬底101上的高折射率材料层201、负热光系数材料层202；其中负热光系数材料层202能够对高折射率材料层201的正热光系数进行补偿，使得该无温漂的混合集成光波导104中模式的有效折射率不随温度变化而改变。所述无温漂的光学谐振腔105能够实现对增益介质102输出光波的选频作用；且该无温漂的光学谐振腔105是基于所述无温漂的混合集成光波导104组成的谐振腔结构，因而其谐振波长不会随温度的变化而漂移，可实现片上集成激光器的输出波长在不同温度下的稳定。所述模斑转换器103能够实现增益介质102输出光波的模斑到无温漂的混合集成光波导104的转换，降低两者的耦合损耗。
本实施例中，所述无温漂的混合集成光波导104和无温漂的光学谐振腔105制备在低折射率衬底101上，且该低折射率衬底101的材料为二氧化硅。所述增益介质102采用能够通过电泵浦或者光泵浦实现受激辐射的基于Ⅲ-Ⅴ族的量子阱、量子线、量子点或其他有源材料。所述无温漂的混合集成光波导104的结构包括但不限于：多层波导结构、狭缝波导结构、亚波长光栅波导结构等。所述高折射率材料层201选用折射率系数大于1.8的低损耗材料制成，包括但不限于：硅、氮化硅、锗、磷化铟、砷化镓等。所述负热光系数材料层202选用折射率系数随着温度的增加而逐渐降低的材料制成，包括但不限于：负热光系数聚合物材料、氧化钛等。
进一步地，在实际应用中，所述无温漂的光学谐振腔105还可以具有一定的反射功能，可以作为片上集成激光器谐振腔的部分反射镜。并且，该无温漂的光学谐振腔105可以是微环谐振腔、微盘谐振腔或光栅等结构。
再进一步地，在实际应用中，由于增益介质102可能与无温漂的混合集成光波导104位于同一平面内，也可能增益介质102位于无温漂的混合集成光波导104的上方。因此，当两者位于同一平面内时，所述模斑转换器103设置在无温漂的混合集成光波导104的边缘处，且分别与增益介质102、无温漂的混合集成光波导104连接；当增益介质102位于无温漂的混合集成光波导104的上方时，所述模斑转换器103设置在无温漂的混合集成光波导104的上部，且分别与增益介质102、无温漂的混合集成光波导104连接。并且，所述模斑转换器103的结构可以是反锥形波导结构或三叉戟结构等，从而提高增益介质102中的光波到无温漂的混合集成光波导104的耦合系数，降低损耗。
更进一步地，在实际应用中，为了使得增益介质102与模斑转换器103能精确对准，从而提高耦合效率，可在该激光器中增设一对对准标记106，用来实现精确对照。具体来说，该一对对准标记106可分别置于模斑转换器103的附近和增益介质102上。另外，为了实现保护该无温漂的混合集成光波导的目的，所述无温漂的混合集成光波导104还可包括低折射率覆盖层203，该低折射率覆盖层203可选用二氧化硅、三氧化二铝、PMMA(Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8、BCB(benzocyclobutene，苯并环丁烯)、氮氧化硅等材料制成。
利用本发明实施例的无温漂的片上集成激光器解决硅基片上集成激光器的出射波长随温度变化的问题时，采用将片上集成激光器的输出波长稳定设计为一种被动过程的方式，即不需要外界施加额外的能量就可以实现片上激光器的输出波长在不同温度下的稳定，从而降低了片上集成激光器的功耗。与此同时，由于不需要使用额外的热电极和温控等调控器件，就可以实现片上激光器输出波长的稳定，从而使得片上集成激光器的集成度高且制备成本低。
为了更清楚的理解本发明，下面通过3个具体实施例对上述无温漂的片上集成激光器作进一步详细说明。
实施例一：
参见图1至图3所示，实施例一提供一种无温漂的片上集成激光器，包括低折射率衬底101、增益介质102、模斑转换器103、无温漂的混合集成光波导104、无温漂的光学谐振腔105和一对对准标记106。其中，增益介质102是基于InGaAsP/InP材料体系的量子阱结构，通过电泵浦实现受激辐射。模斑转换器103采用反锥形波导结构，将增益介质102输出的光波耦合到无温漂的混合集成光波导104中，并耦合进入无温漂的光学谐振腔105中，实现选频功能。在增益介质102的一侧设置有全反射镜，该全反射镜与无温漂的光学谐振腔105的部分反射镜一起构成了该片上集成激光器的谐振腔。一对对准标记106分别设置于模斑转换器103一侧和增益介质102上，用来实现增益介质102和模斑转换器103的精确对准，降低耦合损耗。
参见图2所示，所述无温漂的混合集成光波导104采用双层光波导结构，包括形成于低折射率衬底101上的高折射率材料层201；形成于高折射率材料层201上的负热光系数材料层202；形成于负热光系数材料层202上的低折射率覆盖层203。所述低折射率衬底101和低折射率覆盖层203的材料均为二氧化硅，其折射率为1.444，热光系数为1.0*10-5K-1；所述高折射率材料层201的材料为氮化硅，折射率为1.98，热光系数为4.0*10-5K-1；所述负热光系数材料层202为氧化钛，其折射率为2.3，热光系数为-1.0*10-4K-1；所述高折射率材料层201和负热光系数材料层202的宽度均为800nm，其高度分别为300nm和120nm。该无温漂的混合集成光波导104中的TE模式如图3所示，由图3可知其有效折射率不会随温度的变化而改变。
实施例二：
参见图4和图5所示，实施例二提供一种无温漂的片上集成激光器，其基本结构与实施例一相同，不同之处在于：参见图4所示，所述无温漂的混合集成光波导104采用狭缝波导结构，包括形成于低折射率衬底101上的高折射率材料层201；形成于高折射率材料层201中间的负热光系数材料层202；形成于负热光系数材料层202上的低折射率覆盖层203。所述低折射率衬底101和低折射率覆盖层203的材料均为二氧化硅，其折射率为1.444，热光系数为1.0*10-5K-1；所述高折射率材料层201的材料为硅，折射率为3.45，热光系数为1.84*10- 4K-1；所述负热光系数材料层202的材料为SU-8，其折射率为1.57，热光系数为-1.8*10-4K-1；所述高折射率材料层201和负热光系数材料层202的高度均为220nm，其宽度分别为530nm和100nm。该实施例中，所述负热光系数材料层202SU-8置于高折射率材料层201硅的中间，可以形成狭缝波导结构，以便于实现对硅的正热光系数的补偿。该无温漂的混合集成光波导104中的TE模式如图5所示，由图5可知其有效折射率不会随温度的变化而改变。
实施例三：
参见图6所示，实施例三提供一种无温漂的片上集成激光器，其基本结构与实施例一相同，不同之处在于：参见图6所示，所述无温漂的混合集成光波导104采用亚波长光栅波导结构，包括形成于低折射率衬底101上的周期排列的高折射率材料层201；形成于高折射率材料层201中间的周期排列的负热光系数材料层202；形成于负热光系数材料层202上的低折射率覆盖层203。所述低折射率衬底101和低折射率覆盖层203的材料均为二氧化硅，其折射率为1.444，热光系数为1.0*10-5K-1；所述高折射率材料层201的材料为硅，折射率为3.45，热光系数为1.84*10-4K-1；所述负热光系数材料层202的材料为氧化钛，其折射率为2.3，热光系数为-1.0*10-4K-1；所述高折射率材料层201和负热光系数材料层202的高度均为220nm，结构的周期小于工作波长的一半，并且可以通过调节硅与氧化钛的占比实现波导中的有效模式折射率不随温度的变化而改变。
本发明实施例还提供一种上述无温漂的片上集成激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取带有低折射率衬底101的晶片，在该低折射率衬底101上沉积一层高折射率材料层201，并通过光刻和刻蚀得到所需的波导结构；
步骤二、在所述高折射率材料层201上沉积一层负热光系数材料层202，并使用套刻工艺制备得到无温漂的混合集成光波导104和所述无温漂的光学谐振腔105，所述无温漂的混合集成光波导结构包括多层波导结构、狭缝波导结构或亚波长光栅波导结构；
步骤三、在所述无温漂的混合集成光波导104的周围制备模斑转换器103和对准标记106；
步骤四、通过所述模斑转换器103将所述无温漂的混合集成光波导104与增益介质相连102；并利用对准标记106保证增益介质102于所述模斑转换器103之间的精确对准。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种无温漂的片上集成激光器，包括增益介质和模斑转换器，其特征在于：该片上集成激光器还包括无温漂的混合集成光波导和无温漂的光学谐振腔，所述增益介质通过模斑转换器与无温漂的混合集成光波导相连；
所述无温漂的混合集成光波导包括形成于低折射率衬底上的高折射率材料层和负热光系数材料层，所述负热光系数材料层能够对高折射率材料层的正热光系数进行补偿；
所述无温漂的光学谐振腔是基于所述无温漂的混合集成光波导组成的谐振腔结构，用于实现片上集成激光器的输出波长在不同温度下的稳定。
2.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：该激光器还包括一对对准标记，所述一对对准标记分别设置于模斑转换器的附近和增益介质上。
3.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述无温漂的混合集成光波导还包括低折射率覆盖层。
4.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述无温漂的混合集成光波导的结构包括多层波导结构、狭缝波导结构或亚波长光栅波导结构。
5.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述无温漂的光学谐振腔用于实现对增益介质输出光波的选频。
6.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述无温漂的光学谐振腔的结构包括微环谐振腔结构、微盘谐振腔结构或光栅结构。
7.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述高折射率材料层选用折射率系数大于1.8的低损耗材料制成。
8.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述负热光系数材料层选用折射率系数随温度的增加而逐渐降低的材料制成。
9.如权利要求1所述的无温漂的片上集成激光器，其特征在于：所述增益介质采用能够通过电泵浦或者光泵浦实现受激辐射的有源材料制成。
10.一种制备如权利要求1至9中任一项所述的无温漂的片上集成激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、取带有低折射率衬底的晶片，在该低折射率衬底上沉积一层高折射率材料层，并通过光刻和刻蚀得到所需的波导结构；
B、在所述高折射率材料层上沉积一层负热光系数材料层，并使用套刻工艺制备得到所述无温漂的混合集成光波导和所述无温漂的光学谐振腔；
C、在所述无温漂的混合集成光波导的周围制备模斑转换器；
D、通过所述模斑转换器将所述无温漂的混合集成光波导与增益介质相连。
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